硬度高达155GPa！远超天然金刚石！吉林大学成功合成“六方金刚石”

中国粉体网讯  2月10日，吉林大学刘冰冰教授、姚明光教授团队联合中山大学朱升财教授等发现了高温高压下石墨经由后石墨相形成六方金刚石的全新路径，并“首次”合成出高质量六方金刚石块材，其具有高出立方金刚石的极高硬度和良好的热稳定性。研究成果以“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”为题发表在Nature Materials上。

陨石中的超级钻石“六方金刚石”

金刚石不仅是人们喜爱的宝石，更是集极高硬度、极耐磨、极高热导率、极宽禁带等优异性能于一体的重要前沿战略材料，被称为“最锋利的工业牙齿”和“国家战略物资”，立方金刚石已经在精密加工、资源开采、信息通讯以及“深空、深地、深海”极端环境等国家重大需求领域发挥了重要作用。

六方金刚石首次被发现是在美国亚利桑那州的魔谷陨石中（1967年），这种罕见而珍贵的钻石也因此被称为“陨石钻石”，普遍认为是石墨在陨石撞击地球形成的高温高压条件下转变而成的，理论预测它比立方金刚石还坚硬。但由于陨石快速冲击时间短，六方钻石形成的条件极为苛刻，只有纳米大小，且与陨石共生，因此，六方钻石能否独立存在一直存在争议，实现纯相的人工合成极具挑战。最大的难点是高温高压下六方金刚石的形成能垒高于立方金刚石，高温高压产物往往以立方金刚石为主，难以形成六方金刚石，因此，虽然经过半个多世纪的努力，纯相六方金刚石的人工合成一直未能实现。

吉林大学：六方金刚石合成的新途径

激光加温金刚石对顶砧技术

吉林大学研究团队在前期研究剪切力对石墨高压下结构变化影响中，提出了一种石墨到立方金刚石转变的新机制，发现sp3碳高压相结构的形成是重要因素。

考虑到陨石钻石形成中，不仅有超高压还有高温条件，为此，团队巧妙设计了高温高压实验，首先利用激光加温金刚石对顶砧技术原位研究了石墨在50GPa超高压高温下的结构变化规律，发现石墨在高压力区间会形成“后石墨相”高压结构，再通过局部加热成功获得了六方金刚石（HD）。

超高压高温下获得的纯相六方金刚石光学照片与透射电镜照片

六方金刚石（HD）的生长机理

研究人员通过原位高压XRD和拉曼测量，揭示了石墨在高温超高压下优先转变为HD的原因。实验发现，在26GPa以上，石墨转变为后石墨相，这是其向HD转变的中间步骤。在高压下，石墨层间压力诱导的键合限制了层间滑动，从而抑制了立方金刚石（CD）的生长，而有利于HD的形成。通过对比纳米石墨（NG）实验，进一步证实了这一机制。此外，利用分子动力学模拟，研究了后石墨相向HD的转变过程，发现高压和温度梯度显著促进HD的生长，而均匀加热则难以获得高比例的HD。这些结果为理解石墨到HD的转变机制提供了重要见解。

石墨经由后石墨相向六方金刚石结构转变的动力学模拟及其与实验电镜对比照片

硬度高达155GPa，超过天然金刚石

针对六方金刚石块体的高压合成，在超高压组装体中巧妙地引入热导率不同的高硬度材料，高压下产生温度梯度，模拟金刚石对顶砧原位实验中的高温高压条件，在30GPa、1400℃的条件下，成功制备出毫米级高取向六方金刚石块材。实验结果表明，六方金刚石具有出色的物理性质，硬度高达155±9GPa，超过天然金刚石的40%以上，真空环境下其热稳定性可以达到1100℃，优于纳米金刚石的900℃。

高取向六方金刚石块材的透射电镜照片、XRD以及维氏硬度测试

金刚石材料的未来蓝图

吉林大学研究团队通过深入研究六方金刚石（HD）的合成机制，提出了一种高效的合成方法，成功克服了传统方法中HD难以高纯度合成的难题。

该成果不仅为理解石墨到钻石的转变机制提供了新的视角，也为超硬材料和新型碳材料添加了性能更为优异的新成员，为突破立方金刚石的应用局限提供了可能。更重要的是，HD的优异性能为其在工业领域（超硬切削工具、极端环境器件以及量子技术载体等）的应用提供了广阔前景。

参考来源：

吉林大学，Nature Materials

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02126-9

（中国粉体网编辑整理/轻言）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！